KR100965975B1 - 연속 주조용 침지 노즐내의 막힘 물질의 탈락 검출 및이를 이용한 연주정정 조업방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연속 주조용 침지 노즐내의 막힘 물질의 탈락 검출 및 이를 이용한 연주정정 조업방법에 관한 것으로, 강의 연속 주조 공정에 있어서, 침지 노즐 내부의 부착물이 탈락되는 경우에 발생되는 침지 노즐의 진동 특성을 측정하여 침지 노즐 내부의 부착물의 탈락 정도를 예측하고, 주편 단위별로 얻어지는 최대 탈락 지수를 바탕으로 연주정정에서의 스카핑 처리 횟수를 증가시킴으로써 개재물성 표면 결함을 저감시키는 방법으로 이루어짐으로써, 강의 연속 주조 공정에서 침지 노즐 내에 흐르는 용강에 의해서 발생되는 진동 특성을 측정하여 침지 노즐 내부의 부착 층의 탈락을 예측하고, 이를 바탕으로 연주정정 처리를 수행함으로써, 압연 제품의 개재물성 표면 결함을 저감할 수 있는 특징이 있다.

침지노즐, 내부 부착층, 가속도 센서, 탈락 지수

Description

연속 주조용 침지 노즐내의 막힘 물질의 탈락 검출 및 이를 이용한 연주정정 조업방법 {The method on the prediction the falling of clogging material in the submerged entry nozzle and operation method of finishing line at continuous casting}

도 1은 본 발명에 의한 장치의 구성도.

도 2는 본 발명에 의한 진동 신호의 주파수 분석 그래프.

도 3은 본 발명의 탈락지수와 침지 노즐내부의 부착물의 탈락 시점과의 관계를 나타내는 그래프.

도 4는 주편별 최대 탈락지수에 따른 개재물성 표면결함 발생률의 관계를 나타내는 그래프.

도 5는 주편별 평균 탈락지수에 따른 제강성 결함율의 관계를 나타내는 그래프.

도 6은 본 발명의 연주정정 스카핑에 따른 개재물성 표면결함 발생률의 변화를 나타내는 그래프.

<< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >>

1 : 턴디쉬(Tundish) 2 : 몰드(Mold)

3 : 턴디쉬 철피 4 : 웰블럭(Well Block)

5 : 슬라이딩 게이트(Sliding Gate) 6 : 유량계

7 : 상부 노즐 8 : 레이저 도플러 가속도 센서

9 : 유량 제어 밸브 10 : 유량계

11 : 압력계 12 : 가스 공급용 배관

13 : 레이저 빔 21 : 저취 가스 제어용 연산기

22 : 가속도 센서 연산 장치 23 : 연산기(Computer)

본 발명은 연속 주조용 침지 노즐내의 막힘 물질의 탈락 검출 및 이를 이용한 연주정정 조업방법에 관한 것이다.

특히, 본 발명은 강의 연속 주조 공정에서 턴디쉬(Tundish)의 용강을 몰드(Mold)내로 공급하는 침지 노즐(SEN; Submerged Entry Nozzle)의 진동 특성을 측정하여, 이를 이용하여 주조 중에 침지 노즐 벽면에 생성되는 막힘 물질의 탈락 여부를 검출하여, 주편 중에 혼입되는 불순물(비금속 개재물)의 양을 정도를 예측하여 불순물량이 특정치 이상으로 많이 혼입되는 경우에서는 연주정정 처리를 실시함으로써 냉연 코일에서 발생하는 개재물성 결함(선상 scab)의 발생을 최소화하는 방법에 관한 것이다.

통상적으로, 강의 연속 주조 공정은 레이들(ladle)의 용강을 턴디쉬를 거쳐 몰드로 이송하여 슬라브(slab)형태로 주조하는 공정을 말한다. 이의 공정에서 침지 노즐은 턴디쉬에서 몰드로 용강을 공급하는 기능을 수행하고 있다. 이와 같은 침지노즐은 턴디쉬의 용강을 몰드로 직접 쏟아내는 경우에 발생할 수 있는 용강의 산화 및 비산 등을 방지하기 위해서 몰드 내의 용강 중에 침지된 상태에서 용강을 이송 시키는 역할을 수행하므로, 연속 주조에 있어서는 반듯이 필요한 설비이다. 이 침지 노즐은 고온의 용융된 강의 이송을 수행하기 때문에 내화물로 구성되어 있다.

이와 같은 침지 노즐은 노즐 내경을 통해 용강이 흐르는 동안 용강 중에 현탁되어 있는 탈산성 개재물의 부착 또는 침지 노즐의 내화물과 용강의 반응으로 형성된 산화물에 의해서 노즐의 내경이 감소하는 현상(일반적으로 노즐 막힘(clogging)이라고 칭함)이 발생된다. 이와 같이 노즐 막힘 현상이 발생하는 경우에서는 용탕의 흐름이 일정해 지지 않기 때문에 몰드 내의 용탕의 높이의 불안정(fluctuation) 또는 편류가 발생하여 몰드 플러스 등이 용강 내로 혼입되어 강의 청정도를 악화시키는 문제점이 있다. 또한 침지 노즐 내벽에 부착된 막힘 물질의 일부가 탈락되어 용강 중에 혼입되는 경우에서는 이 또한 강 중의 불순물로 작용하여 청정도를 악화시킨다. 이와 같이 막힘 물질이 주조된 slab에 포함되는 경우 압연 공정에서 개재물의 강판의 표면에 도출되어 개재물성 결함(선상 스캡(scab))을 발생하게 된다. 이와 같은 결함이 발생하는 경우에서는 제품으로써의 가치가 하락하여 판매가 불가능하며, 심한 경우에는 스크랩(scrap)으로 폐기하는 경우도 발생하게 된다.

이와 같은 현상을 방지하기 위해서 실 조업 중에 침지 노즐의 내부의 부착 물질이 탈락되는 현상을 측정할 수 있는 방법이 필요하다. 하지만 내화물 내부에 부착되어 있던 물질이 탈락하는 것을 육안으로는 관측할 수 없기 때문에 현실적으로 불가능하다. 현재의 연속 주조 공정에서의 침지 노즐의 막힘 정도를 예측하는 방법으로써는 주조 중의 슬라이딩 게이트(Sliding gate)의 오픈율을 통한 감지와 조업자가 침지노즐 벽면에 쇠 봉을 접촉시켜 얻는 진동을 통해 감지하는 방법이 있다. 따라서, 침지노즐의 막힘이 갑자기 감소하는 경우에 막힘 물질이 탈락되었다고 예측하는 것은 여러 가지 문제점이 있다. 예로써, 슬라이딩 게이트의 괘도율을 통해 침지 노즐의 막힘 정도를 예측하는 방법은 주조 속도(용강의 토출 속도)에 따라 평균 괘도율의 차이가 존재하기 때문에 괘도율이 낮아진다고(오픈정도가 감소되었다고) 침지노즐 내부의 막힘 물질이 탈락되었다고 판정하기는 곤란하다. 또한 조업자들의 수동 측정 방법은 조업자에 따라 그 측정 정도의 차이가 존재하며, 막힘 정도를 정량화 하기가 곤란하기 때문의 내부 부착물의 탈락여부를 명확히 알 수 없는 문제가 있다.

일반적으로 연주 공정에서 침지노즐의 내부의 부착물질의 양의 많아서 주조가 곤란한 경우 봉 쑤심이라 하여 침지노즐 내부를 철봉으로 쑤셔서 부착물질을 강제적으로 탈락시키는 조업을 수행한다. 이와 같은 경우에는 주편 내부의 불순물이 증가하게 된다. 이와 같은 주편은 바로 압연 공정에 투입되지 않고 연주정정에서 주편 표면을 스카핑 처리(주편 표면을 산소 랜스를 이용하여 특정 두께만큼을 제거하는 조업)하여 압연 공정에 투입하여 압연 제품의 표면에 결함(선상 스캡 등)의 발생을 억제하는 조업을 수행하고 있다. 이와 같은 경우에서는 연주에서의 봉쑤심 을 통해 침지노즐 내부의 부착층이 탈락된 것을 알기 때문에 가능하지만, 주조 중의 부착 물질이 탈락한 시점을 인지하지 못하는 경우에서는 이와 같은 연주정정 조업을 수행할 수 없기 때문에 압연 제품의 표면 품질의 확보가 어렵다.

상기와 같은 문제점을 해소하기 위하여 창출된 본 발명의 목적은, 연속 주조 조업에서 침지노즐 내부를 흐르는 용강에 의해서 발생되는 침지노즐의 진동 특성을 측정하기 위해서, 레이저 도플러 가속도 센서(Laser Doppler Vibrometer)를 이용하여 침지노즐의 진동을 측정, 이의 진동 특성의 분석을 통해 노즐 막힘 정도를 수치화하고, 상기의 방법에서 얻어진 막힘 지수를 이용하여 상부 노즐 및 침지노즐에 투입되는 불활성가스의 양을 조절함으로써 기포성 결함의 발생 없이 침지노즐의 막힘을 방지할 수 있는 연속 주조용 침지 노즐내의 막힘 물질의 탈락 검출 및 이를 이용한 연주정정 조업방법을 제공함에 있다.

이러한 본 발명의 목적은, 강의 연속 주조 공정에 있어서, 침지노즐 내부의 부착물이 탈락되는 경우에 발생되는 침지노즐의 진동 특성을 측정하여 침지노즐 내부의 부착물의 탈락 정도를 예측하고, 주편 단위별로 얻어지는 최대 탈락 지수를 바탕으로 연주정정에서의 스카핑 처리 횟수를 증가시킴으로써 개재물성 표면 결함을 저감시키는 것을 특징으로 하는 연속 주조용 침지 노즐내의 막힘 물질의 탈락 검출 및 이를 이용한 연주정정 조업방법에 의해 달성될 수 있다.

본 발명의 침지노즐 내의 부착물의 탈락을 측정하는 방법은 레이저 도플러 가속도 센서를 이용하여 침지노즐 진동 신호를 초당 256회 이상으로 채집하고, 주 파수 분석을 실시하여 1Hz∼7Hz 주파수 대역에서 얻어지는 주파수 신호를 적분하여 진동 값을 합산하는 방식을 사용하며,

탈락지수는 상기 수학식에 의해 결정되는 것이 바람직하다.

본 발명의 연주정정에서의 스카핑 처리 횟수를 조정하는 방법은 주편당 최대 탈락 지수의 범위에 따라 스카핑 횟수를 결정하며, 상기 최대탈락지수는 "2 이하", "2 내지 4.5", "4.5 내지 6" 및 "6 이상"에 대하여 상기 스카핑 횟수는 각기 "0회", "1회", "2회" 및 "3회"인 것이 바람직하다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

실시예 1

실시예 1은 본 발명에서 사용하는 침지노즐의 진동 신호를 측정하는 장치의 구성과 센서의 신호 처리에 대한 것이다. 본 발명의 장치는 도 1에 나타낸 바와 같이 침지노즐의 진동을 측정하기 위해서 레이저 도플러 가속도 센서(8), 가속도 센서에서 얻어지는 신호는 신호처리기(22), 신호처리기의 data을 바탕으로 진동 특성을 해석, 취입되는 불활성 가스 유량을 제어하는 제어용 연산기(21)로 구성하였다. 신호처리기(22)는 가속도 센서에서 얻어지는 침지노즐의 진동 신호의 증폭에 사용되는 증폭기와 이 신호를 디지털화 시키는 A/D 컨버터로 구성된다.

본 발명에서 사용된 레이저 도플러 가속도 센서 OMETRON사의 Laser Doppler Vibrometr(형식번호 8329)이며, 신호 처리 시스템은 B&K사의 펄스 시스템(pulse system)을 사용하였다. 여기서 나타낸 구성품들은 각각의 기능을 대변하는 제품으로 반듯이 상기의 제품으로 구성해야만 본 발명의 효과를 얻는다는 것을 한정하지는 않는다. 즉, 동일한 기능의 다른 제품을 통해서도 본 발명의 효과를 얻을 수 있다.

가속도 센서에서 얻어지는 진동 신호는 초당 256회 이상으로 속도로 수집한다. 특정시간(1초간) 수집된 데이터는 주파수 분석 (FFT; Fast Fourier Transformation)을 통해 각 주파수별 진동 값을 얻을 수 있다. 상기와 같은 방법으로 얻어진 주파수 분석 그래프를 도 2에 나타내었다.

일반적으로, 유체 내에 물체가 자유 낙하를 하는 경우에서는 저주파의 영역(10Hz 이하)에서의 진동이 발생한다. 따라서, 본 발명에서는 주파수 분석 그래프에서 얻어진 저주파 영역의 최대값(peak value)을 이용하여 아래 식과 같은 방식으로 탈락지수를 환산하였다.

상기 수학식 1은 1초 동안 수집된 data의 FFT분석을 실시한 도 2에서 1Hz∼7Hz의 진동량을 적분한 것으로, 이 식에서 f(x)는 x 헤르츠(Hertz)에서 대한 FFT분석 값을 의미한다.

실시예 2

실시예 2는 실시예 1에서 얻어진 탈락 지수와 실제 침지노즐 내부의 부착층의 탈락의 상관성에 대한 것이다. 실제 주조 중에 발생하는 침지노즐 내부의 부착층의 탈락 정도를 측정할 수 없기 때문에 실시예 2에서는 침지노즐에 부착층이 형성된 시점에 임의적으로 봉쑤심을 실시하여 침지노즐 내부의 부착층을 탈락시키고 그 시점의 탈락 지수의 상관성을 조사하였다. 도 3은 주조 시간에 따른 탈락 지수의 변화를 나타낸 것이다. 도면에서 보는 바와 같이 봉쑤심을 실시한 경우에 탈락 지수가 증가하는 것을 볼 수 있었다.

실시예 3

실시예 3은 탈락 지수와 주편의 품질과의 상관성에 대한 것이다. 실시예 2에서는 탈락 지수를 통해서 침지노즐 내부의 부착물의 탈락 여부를 판정할 수는 있으나 탈락 지수와 탈락된 부착물의 크기에 대한 정보를 제공할 수 없었다. 또한 탈락된 부착물이 주편 내부로 혼입되는 경우에서는 그 크기를 측정할 수 없는 문제점이 있다. 일반적으로 다량의 부착물이 탈락되는 경우 그 시점의 주편 품질이 저하되어 압연 제품에서의 개재물성 표면 결함이 발생할 수 있는 가능성이 높다. 따라서 본 실시예에서는 탈락지수와 압연 제품의 품질에 대한 상관성을 조사함으로써, 간접적인 방법으로 부착물의 탈락에 따른 품질 영향을 검토하였다.

실시예 3에서는 주조 시간에 따른 탈락 지수를 이용하여 주편별 최대 탈락지수를 0.5단위로 구분하여 각 경우에서 주편의 개재물성 표면 결함이 발생되는 확률을 도 4에 나타내었다. 도면에서 보는 바와 같이 주편별 최대 탈락지수가 2이상인 경우에서는 압연 코일에서의 개재물성 표면 결함이 발생할 확률이 1.1%이상임을 알 수 있었다. 또한 개재물성 표면 결함이 발생한 주편에서의 평균 탈락지수에 따른 주편별 제강성 결함율의 변화를 도 5에 나타내었다. 도 5에서 보는 바와 같이 평균 탈락 지수가 증가할수록 제강성 결함율도 증가하는 것을 볼 수 있으며, 두 인자간에는 아래 식과 같은 상관관계가 있는 것을 볼 수 있었다.

제강성 결함율(%) = 2.47 × EXP(1.54×평균탈락지수)

즉, 침지노즐 내부에 부착물이 탈락되는 경우 그 크기가 클수록 개재물성 표면 결함이 발생할 확률이 높아지며, 개재물성 표면 결함이 발생하는 경우 제강성 결함율은 주편별 평균 탈락지수의 크기에 따라 변화하는 것을 알 수 있다.

실시예 4

실시예 4는 실시예 2와 3에서 얻어진 탈락 지수와 품질과의 상관성을 바탕으로 연주정정 작업을 수행하는 방법에 대한 것이다. 실시예 4에서 실시예 3과 같이 주편 단위의 최대 탈락 지수를 바탕으로 연주정정에서의 스카핑 횟수를 1∼3회로 변경하여 압연 제품의 개재물성 표면 결함의 발생률을 조사하였다.

이와 같이 연주정정에서 스카핑을 한 경우와 그렇지 않은 경우에 압연 제품의 개재물성 표면 결함 발생률을 도 6에 나타내었다. 도면에서 보는 바와 같이 연주 정정에서의 스카핑을 실시하는 경우에서는 동일한 탈락지수에서도 개재물성 표면 결함의 발생률이 감소하는 것을 볼 수 있었다. 하지만, 최대 탈락 지수의 범위에 따라서 스카핑 횟수를 따른 표면 결함의 저감 효과가 다르게 나타나고 있다. 즉, 최대 탈락 지수가 2이하인 경우에서는 스카핑 횟수에 따른 표면 결함 발생률의 차이가 거의 나타나지 않고 있으며, 최대 탈락 지수가 2∼4.5인 영역에서는 스카핑을 1회만 실시하여도 결함 발생률의 저감 효과를 볼 수 있으나, 스카핑 횟수를 증가시켰을 경우에 그에 따른 저감 효과는 미미하게 나타났다. 이에 반하여 최대 탈락 지수가 4.5∼6인 경우에서는 스카핑 횟수가 2회 이상인 경우에 개재물성 표면 결함의 발생량이 감소하는 것으로 나타났으며, 최대 탈락 지수가 6이상인 경우에서는 스카핑을 3회를 한 경우에 결함 발생률이 저감되는 효과를 볼 수 있었다.

도 6에서 보는 바와 같이 스카핑 처리 횟수가 증가할수록 압연 제품에서의 개재물성 표면 결함이 저감되는 효과를 가지고 있다. 하지만, 이와 같은 효과를 얻기 위해서 스카핑 횟수를 무작정 늘리는 것에는 한계가 있다. 즉, 스카핑 처리를 하는 경우에서는 주편 표면의 제거하기 때문에 제거된 양만큼의 주편의 단중이 줄어들게 되며, 이로 인하여 주편에서 압연 제품을 얻는 실수율이 감소하게 되며, 또한 스카핑에 소요되는 시간에 의해 주편 온도의 냉각에 따른 열연 가열로의 온도 부하 및 주편의 재고 등의 증가를 발생할 수 있다. 따라서 본 발명에서는 주편별 최대 탈락 지수를 바탕으로 아래 표 1과 같이 스카핑 횟수를 0∼3회로 처리하는 방법을 사용하였다. 여기서, 하기 표 1은 주편별 최대 탈락 지수에 따른 연주정정에서의 스카핑 횟수를 나타내고 있다.

이상에서 설명된 본 발명은 일실시예에 한정되어 설명되었지만, 이에 한정되지 않고 본 발명이 속하는 분야의 통상적인 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있는 정도의 변형은 본 발명의 기술적 사상에 속하는 것임은 자명하다.

이상의 구성을 갖는 본 발명은 강의 연속 주조 공정에서 침지노즐 내에 흐르는 용강에 의해서 발생되는 진동 특성을 측정하여 침지노즐 내부의 부착층의 탈락을 예측하고, 이를 바탕으로 연주정정 처리를 수행함으로써, 압연 제품의 개재물성 표면 결함을 저감할 수 있는 이점(利點)이 있다.

Claims (5)

1. 침지노즐 진동 신호를 초당 256회 이상으로 채집하고, 아래 수식에 의하여 1Hz 내지 7Hz 주파수 대역에서 얻어지는 주파수 신호를 적분, 진동 값을 합산하여 침지노즐 내부의 주편에 대한 부착물의 탈락 정도를 1초 단위로 예측하는 단계; 및

   

   일정 시간 동안의 상기 탈락 지수들 중 최대값을 기준으로 연주정정에서의 스카핑 처리 횟수를 조절시킴으로써 개재물성 표면 결함을 저감시키는 단계

   를 포함하는 연속 주조용 침지 노즐내의 막힘 물질의 탈락 검출 및 이를 이용한 연주정정 조업방법.

   (단, f(x)는 x Hz에 대한 주파수 분석값)
2. 삭제
3. 제1항에 있어서, 상기 스카핑 처리 횟수는,

   상기 탈락지수의 최대값이 2 이하인 경우에 0회 실시되는 것을 특징으로 하는 연속 주조용 침지 노즐내의 막힘 물질의 탈락 검출 및 이를 이용한 연주정정 조업방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 스카핑 처리 횟수는,

   상기 탈락지수의 최대값이 2 내지 4.5인 경우에 1회 실시되는 것을 특징으로 하는 연속 주조용 침지 노즐내의 막힘 물질의 탈락 검출 및 이를 이용한 연주정정 조업방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 스카핑 처리 횟수는,

   상기 탈락지수의 최대값이 4.5 내지 6인 경우에 2회 실시되는 것을 특징으로 하는 연속 주조용 침지 노즐내의 막힘 물질의 탈락 검출 및 이를 이용한 연주정정 조업방법.

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